量子力学的本质是不确定性吗.docx

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量子力学的本质是不确定性吗

导读：

量子力学的本质是什么，你思考过吗？

有人认为，个量子力学的本质就是不确定性，一切都是随机偶然的，也可以理解为微观粒子具有波粒二象性，一切都只能用波函数来表达，我们永远无法同时准确测量微观粒子的位置和动量！

而量子力学中的其他诡异现象都可以用不确定性解释，比如量子纠缠，量子隧穿，叠加态等，都是不确定性的延伸！

比如说原子核外的电子，很多人认为电子就像地球围绕太阳旋转一样围绕着原子核旋转，实际上远不是这样，电子并不是围绕原子核旋转，而是非常随机地出现在原子核外层轨道上（电子跃迁），只不过由于存在最小的能量单位光量子，电子跃迁并不是连续的！

同时，量子世界的这种不确定性实际上也会出现在宏观世界，因为宏观世界的一切都是由微观粒子构成，而宏观与微观本来也没有明确的分界线，就好像大和小没有明确的分界线一样！

只不过，宏观世界的不确定性太不明显了，基本上都以确定的例粒子性表现出来，而波动性可以忽略不计，所以我们感受到宏观世界是确定的！

正文内容【摘自《见微知著》】：

量子力学，它是如此反直觉，以至于只能用数学的语言才能准确地描述它。

量子力学中诡异、甚至反直觉的要素，因何而产生。

在量子力学领域，物理学家已经习惯用“概率”来描述现象，但概率难道不是体现了我们对研究对象了解得还不完全吗？

什么是概率？

不管你们承不承认，其实量子力学的概率，和现实宏观中的概率本质是一样样的。

就好像现实中的人，我们经常问：

“你相信缘分吗？

”

“缘分”这个词，一点也不神秘。

你出现在这个世界上，那么你遇到任何人的逻辑，本来就包含在这个世界的所有相遇可能性逻辑之中了。

重点是你会把这样的情况，说成是偶然还是必然？

偶然还是必然！

各位，我其实很多次在我的作品中强调这个观点了。

所有量子力学的奇异性，就在于你如何去理解这个问题。

一点也没有错，粒子与粒子的相遇，碰撞，和人与人，人与石头的遇到和碰撞有什么本质的区别？

没有！

都是概率！

世界是确定的，量子力学也是确定的。

但世界不会以单一的状态来显示它的确定性，至少我们看到的是这样的。

所以有不确定性原理，波粒二象性，宇称不守恒，真空极化等等物理现象。

还记得我在本书开篇讲的那个案例吗？

要在1分钟内知道中国现在有多少人活着的问题。

问你，你肯定不知道。

但有人知道。

现在不知道，将来技术手段也能知道。

你只知道，你们班有多少人，但你的校长，知道这个学校多少人？

这就是区别。

去看看最强大脑，你就知道了。

你不知道，你认为不可能的事情，有人可以做到。

因为一切有迹可循！

数学是宇宙的语言，我赞同这句话。

那么这种语言的暗示，我们就应该重视。

很简单的一个例子，一个圆，它的周长是整数，可是每一个圆里有含有无穷不循环的小数π。

你觉得这意味着什么，这语言想要表达什么？

完整圆不是整数塑造的，是非整数塑造。

它是π，它是确定的，我们用它计算了无数次。

房子，车子，桥梁，飞船都靠它计算。

可是你如果非要说，我们不确定它，它是无穷小数。

是啊！

我们不确定他，你凭什么说它不确定。

在我们要确定它之前，谁敢说它是不确定的。

看看我们的世界，是货真价实的，是热气腾腾的。

那么一个π，就是真实的，就是确定的。

我深深的相信，即使你计算到它的1兆亿亿位数之后，你依然会赞同我这样说。

在牛顿的理论中，大自然完全是决定论的，也就是说，如果你知道了太阳系所有物体的位置、速度和相互作用，理论上你可以算出任何时候它们各自在哪里。

只有当你没有完全了解某些事情的时候，才会使用“概率”这一概念，就像你往地上扔一个骰子，你不知道它会有怎样的运动轨迹，也不知道它最终会是哪一面。

记住，你不了解，你不确定的事情，会用到概率。

但那是你，或说我们人类！

不代表所有生命的可能！

量子力学却大量地使用概率来描述现象，这就是一些声名卓著的科学家强烈反对量子力学的原因。

也是我们觉得它不实在的原因。

我自己倒认为这是我们反对自己的原因，也是我们自己觉得自己不实在的原因。

深思吧，你会发觉的。

人类历史就是这样一步步证明的。

1926年，玻恩提出电子波函数的本质是概率后，爱因斯坦写信给他，信中说：

“量子力学是很不错，但我内心的声音告诉我，它不是事物真正的本质。

这一理论能得到很好的结果，但它无法告诉我们上帝的秘密。

不管怎么样，我坚信，上帝不掷骰子。

”

直到1964年，物理学家理查德·费曼还在康奈尔大学的一个讲座上说道：

“我想我可以有把握地说，没有人真正理解量子力学。

”

我也说过，上帝不掷骰子，上帝让人类掷骰子。

人类，不应该掷骰子！

这是我的观点！

但身为人类，我们怎么能摆脱“主动性”的本能呢！

你如果真正的去思考爱氏的话：

“我坚信，上帝不掷骰子。

”其实是一种信念，这种信念就是伟大科学家的信念。

爱氏要表达的理念是世界是可以研究的，可以研究清楚的。

世界是确定的。

不是上帝在那开玩笑。

所以他会在前面说：

“这个理论应该有更好的结果。

”

此话一点毛病都没有。

但玻尔也没有错，玻尔是看着实验结果说话的。

随时时间推移，物理学家已经学会使用量子力学得出越来越精确，越来越成功的计算结果。

劳伦斯·克劳斯就将关于氢原子的一个量子力学计算结果称为所有科学领域中被计算得最精确的一个量，他并没有夸张。

量子力学成为了我们理解原子、原子核、导电性、磁性、电磁辐射、半导体、超导体、白矮星、中子星、核力以及基本粒子的基础，所以它是确定的。

有那么多理论，预言了很多粒子存在。

很多粒子后来也被实验证明是存在的。

试想想返回到500年前，谁如果说有反粒子，有胶子，有电子，有正电子，别人会怎么想？

那是不可能的事情。

甚至没有人能做出这样的理论预测。

所以世界是确定的。

随着我们知道的越多，掌握的越多，能预测的就越多。

牛顿的理论在他提出的年代也曾经让很多人不舒服，在牛顿的理论中，两个相隔遥远的物体可以发生相互作用，哪怕它们之间不存在有形的拉力或推力，这似乎给本该实实在在的科学带来了一些神秘的超自然因素，因此在当时招致了笛卡尔追随者的反对。

此外，牛顿的万有引力定律也不能由某些基本的哲学定律导出，这也是莱布尼茨及其追随者的反对的原因之一。

牛顿定律没能满足很多前人对宇宙定律的期望，如托勒密（我们已经抛弃了托勒密的地心说），和开普勒学说。

然而，随着时间推移，牛顿引力理论显示出优势，最终成为压倒性的最成功的理论，它能解释大到行星，小到苹果等物体的运动，包括月球、彗星，甚至地球的形状也能解释。

到18世纪末，几乎所有人都同意牛顿理论是正确的，至少是个极为成功的近似。

因此，强求一个新诞生的理论遵循某种已有的哲学标准，似乎并无必要。

我们需要让其自然发展，看看我们能从中得到什么，或许我们需要反过来改变我们的哲学观点。

我们就是这样做的，我们也算这样走的。

现在再来回顾开篇提到那几个问题，在量子力学中，我们用波函数来描述粒子。

波函数在本质上就是一系列数字，每个数字都代表了系统可能出现的一种状态。

如果系统只包含一个粒子，那么波函数中的每个数字就对应着这个粒子可能出现的所有位置，数字的大小代表着它在这个位置出现的概率。

那这有什么问题呢？

问题的焦点就在于“测量”这一行为。

举个最简单的例子，对电子自旋的测量：

自旋又被称为角动量，它是用来衡量某种物体绕着一个轴“旋转”速度的物理量。

所有理论都表明，实验也都证实了，当你测量一个电子自旋的时候，它只能取两个值中的一个，+h/4π或–h/4π（h为普朗克常数），这可以理解为电子绕着轴要么顺时针旋转，要么逆时针旋转。

但只有当你测量的时候，电子才会取这两个值之一，当你没有测量的时候，电子的自旋状态处于这两种态的叠加态。

这在我的想象里一点也不矛盾。

和波粒二象性本质其实是一样的。

举一个宏观的例子。

一个带有4片风扇叶的风扇，当它不转的时候，你轻易的就可以抓到第一片，第二片，第三片，或第四片风扇叶。

现在飞速转起来，让你抓第一片，你能抓到吗？

显然是不能的，你连看都看不清，还怎么抓。

但当你“抓”的时候，飞速转动的风扇慢了下来，你又看清了。

本质上和测量动作是一样的。

玻璃二象性也是，看你看它的方式是什么样的。

有些现象你需要用到波来解释，还有一些现象你需要用到粒子来解释，还有一些现象你两者都得用。

电子自旋的一种形象化的描述。

以如何测量自旋来讲？

把电子放在磁场中，磁场方向与你想测量电子自旋的方向一致就可以了。

自旋可以用波函数来描述，如果只考虑波函数中关于自旋的一部分，它就只包含两个数，一个代表正自旋，一个代表负自旋。

量子力学中有一条规则叫玻恩规则，以马克斯·玻恩命名，它告诉我们如何利用波函数来计算电子自旋为正或为负的概率——这概率就是波函数的该分量的平方。

这有什么不好的呢？

有人说问题并不在于概率，量子力学发展了这么多年，我们完全可以容忍概率的存在了。

问题在于，电子自旋随着时间的变化遵循薛定谔方程，但薛定谔方程本身并不包含概率，它同牛顿运动方程一样，完全是决定论的。

那概率又是从哪里冒出来的呢？

很多人说这就是量子力学的问题之所在。

但我不这样看，就像我在上面举了一个圆的例子。

一个完整的圆包含了不完整无穷不循环的小数π。

世界的完整永远包含着无穷，这才是世界的法则。

一根绳子，对半切，理论上永远可以切下去。

概率是怎么来的，就是这样来的。

你确定的事情，就是百分百概率，你不确定的，就是小于百分百概率。

如果你认为太阳明天照常升起是百分百概率，那么这样的例子可以在量子力学中找到很多很多。

量子力学是不确定的，量子力学中的奇异性，也很正常。

因为可以理解。

其实真正意义上的奇异性，在于未来。

因为未来才是难以把握的。

但如果不能把握现在，更谈不上把握未来了。

就好比我现在问你：

“1万年后太阳还会照常在地球上升起吗？

”各位，我希望你的感觉和我的感觉此刻是一致的。

概率是实实在在的物理现象，我应该理解它，我们应该爱它。

但我要强调一个总的原则，这是很值得强调的。

因为量子力学的理论，已经是一片红海了。

就拿第45，第46章的弦理论来说，我是犹豫了后才决定还是要介绍的。

但我要说高维度空间，多世界理论不如概率实在。

世界也是以这样的方式来展示它的存在的。

想象中的世界不一定是真实，但真实的世界一定可以想象。

人一定要在自己可以想象的地方去努力，而不是要在想象的世界里去努力，这是方向问题，不容忽视！

就像我在关于量子纠缠的文章中说过，如果想象中的世界是真实的，那么这个世界就不存在问题。

量子力学在计算方面是非常实用的。

在如何运用量子力学的问题上并不存在什么争论，物理学家都用同样的方式使用量子力学，而且计算的确有效。

也许我上面提到的这些问题都只是语言的问题，跟量子力学本身无关。

一些现代哲学观点认为，最“哲学”的问题都是跟我们所运用的语言相关的问题，因为我们是人。

很多导师常用这种观点来教育那些抱怨量子力学的研究生们：

闭上嘴，只管算。

所以不要想着去试图建立一个可以隔绝所有环境的系统。

那是不可能的。

就像我们好多人说，我们要到太空里去。

其实我们就在太空中。

独立学者，科普作家，艺术家灵遁者作品《见微知著》。